Kémiai Nobel-díjat kaptak, akik nélkül ma nem lenne villanyautózás

John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, és Akira Yoshino kapta az idei kémiai Nobel-díjat korunk egyik legnagyobb technológiai vívmányáért, a lítium-ion akkumulátor kifejlesztéséértjelentette be tegnap a Svéd Királyi Tudományos Akadémia. Az amerikai, brit és japán nemzetiségű tudósok által elért eredmények a napjainkban használatos legnagyobb tudású energiatároló berendezést teremtették meg, mely nem csupán mobiltelefonok, laptopok és más digitális eszközök milliárdjaiban van jelen, lehetővé téve azok hálózattól független használatát, hanem az elektromos járművekbe szerelve, valamint megújuló alapú energiatermelő egységekre csatlakoztatva egy a fosszilis ásványkincsektől független társadalom alapját is lefekteti.

Forrás: nobelprize.org

A világmegváltó technológia alapját az az ősi anyag adja, melynek keletkezése az Ősrobbanás utáni első percekre tehető, és amely nyomokban minden élő szervezetben megtalálható. Az ember számára azonban csak 1817-ben vált ismertté a lítium, amikor Johan August Arfwedson és Jöns Jacob Berzelius egy bányában gyűjtött ásványminta megtisztítása után felfigyeltek rá. Ekkor kapta meg ma is ismert nevét az alkálifémek közé tartozó kémiai elem a görög lithos (kő) szóból eredeztetve – az elnevezés ellenére azonban ez az emberiség által ismert legkönnyebb szilárd elem, s épp ez a tulajdonsága adja széles körű felhasználhatóságát. Amit a két svéd kémikus talált, az valójában nem volt más, mint lítium-ionok só formájában, ugyanis a természetben elemi állapotban nem található meg a lítium az erős reaktivitása miatt. Ez a reaktivitás volt az, ami felkeltette a XX. század tudósainak figyelmét, és elindította azokat a kutatásokat, melyek a ma ismert lítium-ionos aksihoz vezettek.

Tesla gigaaksi Ausztráliában – az energia tárolásával növelhető a megújulók részaránya az energiamixben

Az idei kémiai Nobel-díjat kiérdemlő fejlesztés történetének kezdetéig mintegy 60 évet kell visszamennünk az időben, amikor is a hagyományos meghajtású gépjárművek száma robbanásszerűen emelkedett világszerte. Ez súlyos környezeti és egészségügyi krízishez vezetett a nagyvárosokban, ami a kőolaj korábban elképzelhetetlennek vélt végességének fokozódó felismerésével együtt arra ösztönözte az autógyártókat és az olajvállalatokat, hogy diverzifikálják tevékenységüket, azaz találjanak egy alternatív megélhetési forrást arra az esetre, ha a fekete aranyra már nem lehet többé üzletet építeni. Ekkor jelent meg először az elektromos meghajtás gondolata azután, hogy a villanyautók néhány évnyi sikertörténet után az 1900-as évek elején áldozatul estek a fosszilis üzemanyagnak. Az elektronok tárolásához azonban akkumulátorokra volt szükség, aminek ekkoriban meglehetősen híján volt a piac: két újratölthető technológia állt rendelkezésre, az ólomakkumulátorok, illetve a nikkel-kadmium aksik, ám egyikük tudása sem volt megfelelő az elektromos autózáshoz.

A mai akkumulátorok egyik gyenge pontja a kobalttartalom – a Tesla és a Panasonic élen jár ennek csökkentésében

A jövedelmező tudományos áttörésért indított kutatásban úttörő volt az Exxon, mely az energetika legnagyobb elméit gyűjtötte össze arra a feladatra, hogy kedvük szerint dolgozzanak gyakorlatilag bármin, aminek nincs köze a kőolajhoz. A kutatók egyike volt az egyik újdonsült Nobel-díjasunk, Stanley Whittingham, aki a stanfordi egyetemet hátrahagyva 1972-ben csatlakozott az olajóriás tudóscsapatához, majd kezdett el kollégáival szupravezető anyagokkal, például tantál-diszulfiddal kísérletezni, melyek képesek az interkalációra (azaz töltött ionok felvételére és leadására).

EZT OLVASTAD MÁR?  6 perc alatt feltölthető akkumulátorokat ígér a Toshiba

Egy magas feszültségű új akkumulátor fejlesztése ekkor még csak meg sem fordult Whittingham fejében, az irányváltást egy véletlen, ámde óriási jelentőségű felfedezés hozta el: kiderült, hogy a foszfor-ionok hatással voltak a tantál-diszulfid vezetőképességére, és mikor ennek okát tanulmányozta a brit születésű férfi, akkor vette észre, hogy egy rendkívül magas energiasűrűségű anyaggal van dolga. A szupravezető és az ionok közötti interakció több voltos feszültséget eredményezett, ami magasabb volt, mint amit a kor akkujai produkálni tudtak. Ez volt az a pont, amikor a kutatás célja immáron egy a jövő elektromos autóiban jól használható energiatároló fejlesztése lett. Így többé már a viszonylag nehéz tantálnak sem lehetett helye a képletben, ezt Whittingham a hasonló tulajdonságokkal bíró, de jóval könnyebb titánra cserélte.

Így néz ki az Opel Corsa-e akkupakkja

És itt jön képbe a lítium. Az akkumulátor kifejlesztéséhez egy olyan kémiai elemre volt szükség, mely könnyen megszabadul az elektronjaitól, és ismerve a lítium reaktivitását, ez volt a legjobb választás, mely lehetővé teszi az elektronok anód és katód közötti áramlását. Az eredmény egy újratölthető, magas feszültségű, szobahőmérsékleten működő akkumulátor-prototípus volt, mellyel nem volt nehéz rábírni az Exxon vezetőit egy kereskedelmi forgalomba szánt változat fejlesztésére.

Manapság a média gyakran felkapja, amikor egy elektromos autó kigyullad, a tűz eloltásához szükséges speciális eljárásra panaszkodva, melyet gyakran a fekete mágiához hasonlítanak. Valójában az akkutüzek oltásával már a ’70-es években meg kellett barátkozniuk a tűzoltóknak, tudniillik a lítium-ion aksi gyártása nem akart elsőre hibátlanul indulni. A rendszeres töltéstől ugyanis az elektródából lítium-tüskék kezdtek kinőni, melyek a másik elektródához érve rövidzárlatot okoztak, ami esetenként az aksi felrobbanását eredményezte. Bár az oltás módszere nem volt nagy rejtély, a lánglovagok mégsem örültek a laboratórium tűzijátékának, és megfenyegették a kutatókat, hogy kifizettetik velük a tűzoltáshoz szükséges plusz anyagok költségét. A biztonság javítása érdekében számos változás történt az aksi kémiai összeállításában, például bekerült az alumínium, és az elektródák közötti elektrolit is más lett. A nagy felfedezést végül 1976-ban jelentette be Whittingham, és egy kis széria gyártása meg is kezdődött egy svájci vásárló számára. A további fejlesztést ellenben nagymértékben lelassította a szokásos probléma – az olaj ára drámaian esni kezdett az 1980-as évek elején, ami az Exxont a nadrágszíj összehúzására késztette.

Kigyulladt egy Tesla, a holland tűzoltók vízzel teli tartályba merítették (Fotó: Marc De Roeck, HLN)

Mindeközben a világ másik részén, az oxfordi egyetemen munkát kapó John Goodenough folytatta az ígéretes akkufejlesztést. Az amerikai úriember már a legelején felismerte, hogy egy fém-oxidos katód alkalmazásával a fém-szulfidos helyett jelentősen magasabb feszültséget lehetne generálni. A céltudatos keresgélés meghozta gyümölcsét: a lítium-kobalt-oxidos katód 4 V-ra rúgta az aksi feszültségét, majdnem megkétszerezve a Whittingham által elért értéket. A siker egyik kulcsa, hogy Goodenough rájött, hogy az aksikat nem kell mindenáron töltött állapotban legyártani, ahogy korábban tették, elegendő a megépítés után feltölteni.

EZT OLVASTAD MÁR?  Lesz tisztán elektromos McLaren, de még nem áll készen a versenypályára

Habár nyugaton az egyre olcsóbb üzemanyag árnyékot vetett az új technológiák és az elektromos autózás iránti lelkesedésre, keleten egész más volt a helyzet: a japán elektronikai cégek szomjaztak egy könnyű és nagy energiakapacitású tölthető aksira. Nem is sejtve, hogy később kémiai Nobel-díjjal fogják jutalmazni érte, Akira Yoshino különböző szénalapú anyagokból felépített anódokkal kezdett kísérletezni, melyek Goodenough lítium-kobalt-oxid katódjának ellenpárjaként funkcionáltak. A japán kutató azokból a tanulmányokból indult ki, melyek a grafitot emelték ki lehetséges komponensként, ám Yoshino helyette ásványolajkokszot (a kőolaj-finomítás mellékterméke) használt, amely szintén a Li-ionok interkalációját okozza. Ebből született meg 1985-ben a legelső lítium-ion akkumulátor, mely 1991-ben kereskedelmi forgalomba került a Sony és az Asahi Kasei által.

A lítium kitermeléséről és rendelkezésre állásáról folyamatosak a viták, Forrás: Flickr

A technológia óriási előnyét a korábbi akkumulátorokkal szemben az adja, hogy nincs szükség többé kémiai reakciókra a működéshez, hanem a töltés vagy a használat idején az ionok anélkül vándorolnak az elektródák között, hogy reagálnának a környezetükkel. Ez pedig hosszú élettartamot és több százszoros tölthetőséget adott az aksinak. A ’90-es évek óta számos fejlesztésen esett át a Li-ionos megoldás, amelyek elengedhetetlenek voltak ahhoz, hogy a mai elektromos autók több száz kilométeres hatótávját lehetővé tudják tenni, valamint remekül újrahasznosítható, és a korábbi technológiáknál sokkal kevésbé környezetszennyező alkotóelemeivé válhassanak napjaink berendezéseinek.

BMW akkupakk összeszerelése, Forrás: BMWBlog

A lítium-ion akkumulátor fejlesztésének története elülteti a kérdést a fejünkben, hogy vajon miért kellett ennyit várni a Nobel-díjra egy olyan találmányért, mely nélkül nem létezne az otthonunkat jelentő modern digitális világ, sőt, a tisztább, megújuló energiákra épülő jövő sem lebegne a szemünk előtt. E vívmány lehető legrangosabb elismerésének időzítése azért is különös, mert az ásványkészletek hozzáférhetőségét, bányászatának környezeti lábnyomát firtató tanulmányok, valamint az egyre nagyobb energiasűrűségre való igény folyamatosan tüzeli az akkutechnológiára irányuló kutatásokat, melyek többsége már nem a lítiumot tekinti az energiatárolás kulcselemének. Ám ami késik, nem múlik, az idei kémiai Nobel-díjat egy megkérdőjelezhetetlen fontosságú találmány megalkotói kapták, akik az elismerés mellett fejenként 3 millió svéd koronával lettek gazdagabbak.

Elektromos autót használsz?